第四代商业化高温气冷堆

末代天使

12月20日(周一)，新华社报道称全球首座球床模块式高温气冷堆核电站——山东荣成石岛湾高温气冷堆核电站示范工程送电成功。

该反应堆20日成功并网发电，这标志着我国第四代商业化高温气冷堆正式投运，石岛湾核电站有望于2022年年中实现双堆商业运行。

此前于2021年9月12日，华能石岛湾高温气冷堆核电站示范工程 1 号反应堆首次达到临界状态，机组正式开启带核功率运行。据测算，石岛湾核电站满功率运行每年可发电14亿度，为200万居民提供生活用电，相对燃煤发电可减少90万吨的二氧化碳排放。

石岛湾采用第四代核电技术，第四代核电技术以核安全为核心，强化了防止核扩散等方面的要求。目前，石岛湾2号反应堆并网发电前的各项试验正在有序进行。石岛湾核电站是全球首个并网发电的第四代高温气冷堆核电项目，标志着我国成为世界少数几个掌握第四代核能技术的国家之一，意味着在该领域我国成为世界核电技术的领跑者。

预计我国将在2030-2040年实现第四代核反应堆大型化商业应用示范，2050年全面实现第四代核能系统的目标要求，使四代核能在供热、制氢、冶金、化工、海水淡化等方面具备规模建设条件。

第四代核电技术是具备未来大规模建设基础的核电技术，其安全性较高。

第四代核电技术主要有六种设计概念，包括三种快中子堆（钠冷快堆、铅冷快堆和气冷快堆）和三种热中子堆（超临界水冷堆、超高温气冷堆和熔盐堆）。目前我国在高温气冷堆和钍基熔盐堆两路线投入资源相对较多，相关试验、示范项目进展较快。

1、高温气冷堆：以氦气作为冷却剂、石墨作为慢化剂，模块化建造，固有安全性高。

2021年9月12日，华能石岛湾高温气冷堆核电站示范工程 1 号反应堆首次达到临界状态，机组正式开启带核功率运行。12月20日，该核电站成功并网发电，这标志着我国第四代商业化高温气冷堆正式投运。

安全特性：高温气冷堆采用高性能燃料元件，通过大的负温度系数，实现了反应堆的固有安全特性，排除了验证放射事故的发生。

发电效率：在核能发电领域，产生更高的温度意味着发电效率也更高。高温气冷堆在冷却过程中不使用水，通常以石墨作为慢化剂，以氦气作为冷却剂，堆芯出口温度可达 800-1000℃，高温使发电效率提高 30%以上。

经济性：高温气冷堆转换比（0.7-0.8）较高，通过气冷替代水冷，无需消耗大量的水资源，在缺水的地方也可以建造和运行。此外，高温气冷堆可以通过模块化方式建造，如此可大大缩短工期，提升经济性和环境适用性。

高温制氢：高温气冷堆堆芯出口温度可达 800-1000℃，在 800℃时，高温电解的理论效率高于 50%，温度升高会使效率进一步提高。因此，利用高温气冷堆技术为基础，进一步发展高温电解制氢是未来高温气冷堆的重要应用方向。

据测算，高温堆热化学制氢成本仅20元，接近化石能源制氢和焦炉煤气提氢成本，是成本最低的大规模新型制氢技术。高温气冷堆是最适合用于制氢的反应堆堆型。

由于高温气冷堆具有安全性强、高发电效率、经济性强等优点，未来可以在全国内陆以及更广阔范围内建设和应用，有效拓展核电使用范围和市场空间。

2、钍基熔盐堆（TMSR）：冷却剂是氟化盐，安全性高；热转换效率更高，且钍矿资源丰富。

我国采用另一“四代核电”技术路线的甘肃武威钍基熔盐堆（TMSR），于 2018 年开工建造，主体工程于2021年5月已基本完工，并于8月底完成机电安装，9月启动调试。

安全性:与当前水冷却剂不同，钍基熔盐堆的冷却剂是氟化盐，在冷却后凝固成固态盐，基本不会泄露和污染环境。传统核电站需要建立在靠水资源丰富的沿海地区，而钍基熔盐堆不借助水冷，因而可以在内陆偏远地区建造，安全性更高。经过充分燃烧后，理论上钍基熔盐堆产生的核废料仅为现有技术的千分之一。

发电效率：在核能发电领域，产生更高的温度意味着发电效率也更高。钍基熔盐堆的堆芯结构较为简单，因而可以设计成具有较高功率输出的小型反应堆，温度可达700-800℃。钍基熔盐堆发电效率高达45%-50%，与常规核电站中的轻水反应堆相比，熔盐反应堆的运行温度要高得多。

经济性：自然界中钍的储量，远比铀丰富，据估算世界上已知的钍储量是轴的 3 倍，可以为世界提供 1 万年的能源支持。我国钍的储量位列世界第二，提炼技术成熟，没有卡脖子的问题。

钍基熔盐堆主要优点在于其采用氟化盐作为冷却剂，运行过程中固有安全性更高，可以远离沿海人口密集的地区展开建设。且热转换效率更高，确保更好的经济性。更重要的是，我国钍资源丰富，可以确保核电生产的原材料充足，不会被卡脖子。因此第四代核电站-钍基熔盐堆若技术成熟后，可大规模向偏远人少的地区铺开推广。


我国核电发展规划："确保安全"的背景下，积极有序发展核电。

核电的主要优点在于稳定性强且发电效率高。与水电相比，核电不存在枯水期问题；与煤电相比，核电燃料较少受到交通状况的影响；与风、光、生物质等可再生能源发电相比，核电没有间歇性、间断性等问题。

但是核电的主要缺点在于核电站安全性问题，核电站遇到极端天气和其他是极端事件时，存在核泄漏的风险。

截至2021年8月底，我国大陆在运核电机组有51台，装机容量为53.3GW；在建核电机组数为18台，装机容量为19.02GW。全球范围来看，我国核电在运机组占比约11.5%左右。

2021年《“十四五”规划和2035年远景目标》和《2021年政府工作报告》 先后提出“积极有序发展核电”，预计2021-2025年中国年均核准6-8台核电机组，总体基调偏稳步推进为主。


核电产业链

我国第四代商业化高温气冷堆正式投运，核电产业链整体有望受益。

核电产业链包括了上游核燃料、其他原材料供应商；中游环节包括核反应堆、核电核心设备制造及核电辅助设备制造；下游环节主要包括核电站建设及运营维护。

相比于当前的核电站而言，第四代核电站主要在高温气冷堆/钍基熔盐堆等以及相关设备有区别，其他建筑工程与电力建设、施工、核电站运营等差别不大。

其中华能石岛湾高温气冷堆核电站主要是增加了高温气冷堆的使用，氦风机等设备是增量部分。

而钍基熔盐堆核电站将增加钍基熔盐堆的使用，因而上游钍矿、关键设备主容器、堆内支撑装置等有望受益。